นักวิจัยกำลังหาทางรีไซเคิลคาร์บอนไดออกไซด์ให้กลับมาใช้ประโยชน์ให้ได้สูงสุด เพราะนอกจากจะช่วยแก้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ที่เกิดขึ้นจากปล่อยก๊าซเรือนกระจกแล้ว แล้วยังเป็นกุญแจสำคัญสู่การบรรลุเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอนอย่างยั่งยืน อีกทั้งยังได้เชื้อเพลิงและเคมีภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงกลับมาใช้อีกด้วย
ล่าสุด นักวิจัยจากสถาบันวิจัยพลังงานแห่งเกาหลี (KIER) พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใน “ปฏิกิริยาการเปลี่ยนก๊าซน้ำย้อนกลับ” หรือ RWGS (Reverse Water-Gas Shift) ที่สามารถเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นส่วนประกอบของเชื้อเพลิงสะอาดได้อย่างมีประสิทธิภาพและประหยัดพลังงานมากกว่าที่เคยเป็นมา
ปฏิกิริยาการเปลี่ยนก๊าซน้ำย้อนกลับ (RWGS) เป็นปฏิกิริยาเคมีที่รวมคาร์บอนไดออกไซด์เข้ากับไฮโดรเจน เพื่อผลิตคาร์บอนมอนอกไซด์และน้ำ โดยคาร์บอนมอนอกไซด์ที่ได้นี้ทำหน้าที่เป็นหน่วยพื้นฐานสำคัญ สำหรับการผลิตเชื้อเพลิงสังเคราะห์ (e-fuels) และเมทานอล ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกที่สะอาดและยั่งยืนสำหรับภาคอุตสาหกรรม ที่ยากจะเปลี่ยนผ่านไปสู่ระบบไฟฟ้า เช่น การบินและการขนส่งทางเรือระยะไกล
ปัญหาที่เผชิญมาอย่างยาวนานคือกระบวนการ RWGS แบบดั้งเดิมจำเป็นต้องใช้ความร้อนสูงเกินกว่า 800 องศาเซลเซียส เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด อุณหภูมิที่สูงจัดนี้ไม่เพียงแต่สิ้นเปลืองพลังงานมหาศาล แต่ยังทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำจากนิกเกิลจับตัวกันเป็นก้อน ส่งผลให้พื้นที่ผิวและประสิทธิภาพลดลง
ดร.คี ยองกู นักวิจัยจากสถาบันวิจัยพลังงานแห่งเกาหลี (KIER) ค้นพบแนวทางใหม่ในการแก้ปัญหานี้ด้วยการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำจากทองแดง-แมกนีเซียม-เหล็ก (Cu-Mg-Fe) ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิเพียง 400 องศาเซลเซียส ลดลงจากเดิมถึงครึ่งหนึ่ง ซึ่งช่วยลดต้นทุนด้านพลังงานและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานอย่างมหาศาล
นอกจากความประหยัดแล้ว ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดใหม่นี้ยังมีคุณสมบัติในการยับยั้งการเกิดก๊าซมีเทน ซึ่งเป็นผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์ในกระบวนการผลิต โดยปรกติแล้วการทำงานในอุณหภูมิที่ต่ำลง มักจะทำให้เกิดก๊าซมีเทนแทนที่จะเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งส่งผลให้ผลผลิตลดลงและสิ้นเปลืองก๊าซไฮโดรเจนโดยใช่เหตุ แต่ทองแดงมีคุณสมบัติทางธรรมชาติที่หลีกเลี่ยงการสร้างมีเทนที่อุณหภูมิต่ำได้ดีกว่านิกเกิล ทำให้การผลิตมีความจำเพาะเจาะจงสูงขึ้น
นักวิจัยใช้โครงสร้างแบบไฮดรอกไซด์คู่ชั้น หรือ LDH (Layered Double Hydroxide) เป็นการจัดเรียงแผ่นโลหะบาง ๆ ที่มีโมเลกุลน้ำและประจุแทรกอยู่ระหว่างกลาง ในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยา โดยโครงสร้างนี้ทำหน้าที่เปรียบเสมือนนั่งร้านที่ช่วยกระจายอนุภาคทองแดงให้สม่ำเสมอ และป้องกันการเกาะตัวกันของอนุภาคเมื่อได้รับความร้อน
ขณะที่ การเสริมเหล็กและแมกนีเซียมเข้าไปยังช่วยเพิ่มความทนทานต่อความร้อน ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถทำงานต่อเนื่องได้อย่างเสถียรนานกว่า 100 ชั่วโมง
ตัวเร่งปฏิกิริยาทั่วไปจะต้องเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นสารตัวกลางที่เรียกว่า “ฟอร์เมต” (formates) ก่อนที่จะกลายเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ แต่นวัตกรรมใหม่นี้สามารถเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ได้โดยตรงบนพื้นผิวของมันเอง กระบวนการทางตรงนี้ไม่เพียงแต่ลดปฏิกิริยาข้างเคียง แต่ยังช่วยรักษาประสิทธิภาพในระดับสูง แม้จะทำงานในสภาวะอุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำก็ตาม
ตัวเร่งปฏิกิริยาสูตรผสม Cu-Mg-Fe สามารถผลิตคาร์บอนมอนอกไซด์ได้เร็วกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงมาตรฐานถึง 1.7 เท่า และมีผลผลิตรวมสูงกว่า 1.5 เท่า ยิ่งไปกว่านั้น มันยังทำผลงานได้เหนือกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำจากโลหะมีค่าอย่างแพลทินัม โดยมีอัตราการสร้างคาร์บอนมอนอกไซด์เร็วกว่า 2.2 เท่า และให้ผลผลิตสูงกว่า 1.8 เท่า ทั้งที่มีต้นทุนต่ำกว่ามากเนื่องจากใช้โลหะที่หาได้ง่าย
ดร.คี ยองกู กล่าวว่า “เทคโนโลยีตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของคาร์บอนไดออกไซด์ ที่อุณหภูมิต่ำ เป็นความสำเร็จที่ก้าวล้ำ ช่วยให้สามารถผลิตคาร์บอนมอนอกไซด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยใช้โลหะราคาถูกและหาได้ง่าย”
ยังมีการทดลองที่สร้างนวัตกรรมใหม่อีกชิ้น ซึ่งมาจากทีมวิจัยของสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีกวางจู (GIST) ที่นำทีมโดย ศ.อี แจยอง ที่สามารถเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้กลายเป็น “อัลลิลแอลกอฮอล์” (Allyl alcohol) สารเคมีมูลค่าสูงที่มีคาร์บอนตั้งแต่ 3 อะตอมขึ้นไป (C3+) ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่อุดมด้วยฟอสฟอรัสจนสามารถสร้างสถิติโลกใหม่ด้วยประสิทธิภาพฟาราเดย์ (Faraday efficiency) มากถึง 66.9% ซึ่งสูงกว่าเทคโนโลยีเดิมถึง 4 เท่า
ความสำเร็จของ GIST มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะอัลลิลแอลกอฮอล์เป็นวัตถุดิบจำเป็นในหลายอุตสาหกรรม ตั้งแต่การผลิตพลาสติก สารยึดติด ไปจนถึงน้ำหอม ดังนั้นการที่นักวิทยาศาสตร์สามารถเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีคาร์บอนเพียง 1 อะตอมให้กลายเป็นโมเลกุลที่ซับซ้อนและมีมูลค่าทางการค้าสูงในสถานะของเหลวได้นั้น ช่วยลดปัญหาเรื่องการจัดเก็บและการขนส่งก๊าซที่ซับซ้อน ทำให้กระบวนการรีไซเคิลคาร์บอนมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจมากขึ้น
เชื้อเพลิงสังเคราะห์หรือ e-fuels ที่ผลิตจากคาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรเจนสะอาด จึงเป็นทางออกที่สมบูรณ์แบบในการลดคาร์บอนโดยไม่ต้องเปลี่ยนโครงสร้างพื้นฐานของเครื่องยนต์เดิม ซึ่งจะช่วยให้อุตสาหกรรมการบินและการขนส่งทางเรือ ที่ต้องการเชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ประหยัดและยั่งยืนได้มากขึ้น เนื่องจากแบตเตอรี่ไฟฟ้าในปัจจุบันยังไม่สามารถตอบโจทย์การเดินทางระยะไกลเหล่านี้ได้
ในแง่ของระบบนิเวศอุตสาหกรรม เทคโนโลยีอุณหภูมิต่ำของ KIER ยังช่วยให้โรงงานเดิมสามารถปรับปรุงอุปกรณ์ (Retrofit) เพื่อใช้งานได้ทันทีโดยไม่ต้องลงทุนสร้างระบบใหม่ที่รองรับความร้อนสูงทั้งหมด สิ่งนี้จะช่วยลดค่าใช้จ่ายฝ่ายทุนและเร่งระยะเวลาในการนำเทคโนโลยีออกสู่ตลาดให้เร็วขึ้น ช่วยให้ภาคอุตสาหกรรมหนัก เช่น เหล็กและปิโตรเคมี สามารถเปลี่ยนความกดดันด้านการปล่อยมลพิษให้กลายเป็นโอกาสทางธุรกิจใหม่ได้
การรีไซเคิลคาร์บอนไดออกไซด์ให้กลับมาเป็นเชื้อเพลิงยังเป็นการสร้าง “วงจรคาร์บอนแบบปิด” (Closed carbon loop) ที่ยั่งยืน เพราะเมื่อเชื้อเพลิงสังเคราะห์เหล่านี้ถูกเผาไหม้ คาร์บอนที่ปล่อยออกมาก็คือคาร์บอนที่ถูกดักจับมาจากอากาศตั้งแต่ต้น ทำให้ไม่มีคาร์บอนจากฟอสซิลใหม่เพิ่มเข้าไปในชั้นบรรยากาศ
ทุกแกลลอนของเชื้อเพลิงสังเคราะห์ที่ผลิตได้ จะเข้าไปแทนที่เชื้อเพลิงฟอสซิลแบบเดิมอย่างมีประสิทธิภาพ
ความร่วมมือทางวิทยาศาสตร์กำลังเปลี่ยนความท้าทายด้านสภาพภูมิอากาศให้กลายเป็นโอกาสแห่งการพัฒนาที่ยั่งยืน การค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง ต้นทุนต่ำ และทำงานได้ในสภาวะที่เหมาะสม จะเป็นแรงขับเคลื่อนสำคัญที่ช่วยให้โลกก้าวข้ามขีดจำกัดเดิม ๆ สู่การใช้พลังงานที่สะอาดและปลอดภัยสำหรับคนรุ่นต่อ ๆ ไปอย่างแท้จริง
ที่มา: Happy Eco News, Science Daily, Scitech Daily, Sustainability Times